圆钢管混凝土柱的结构设计实例

陈昊科 

摘要：目前市场上的多层工业厂房、物流仓库、装配式厂房的设计中经常会采用钢管混凝土柱方案。钢管混凝土柱是指高强度混凝土填充在钢管柱中后形成的由钢管和内部混凝土协同受力的组合结构构件。它兼具了混凝土和钢材的优点，抗压强度高，抗弯能力强，弹塑性好。本文中的嘉兴桐乡维动项目采用了圆钢管混凝土柱方案的设计，利用PKPM软件对其进行建模分析，柱构件验算、柱节点计算等方面初步验证了设计的合理性。

关键词：钢管混凝土柱；方案优点；荷载的工况和组合;整体建模；构件验算；节点设计；施工要点；

1.工程概况

年产1500套公共安全智慧安检系统项目位于浙江省嘉兴市桐乡市，项目用地面积100000m2 ，总建筑面积184577.38m2。主体为四栋三层建筑，采用钢管混凝土柱，钢框架体系，抗震等级为四级。本文选其中A3生产配送中心为例，进行建模。

2.整体模型的建立

本项目模型为三层，建筑横向跨度为11.6m+5*12m +11.3m，纵向为8*12m，一层二层层高均为10.8m，檐口高度32.05m，屋面单屋脊双坡，坡度3.5%。

目前市场上的多层工业厂房、物流仓库、装配式厂房的设计中，一般采用混凝土框架或钢框架的结构设计形式。钢框架的柱常采用实腹H型柱、方管柱、圆管柱、钢管混凝土柱等。本项目为三层钢框架，活荷载为20KN/m2，单根柱子轴力很大，如果采用纯钢柱，通过计算需采用1000X 30箱型柱或者更大的圆管柱，如采用圆钢管混凝土柱的组合柱，截面做到Φ900X 12，内灌C40混凝土，就能满足计算要求，用钢量仅为箱型柱一半。经过方案比较，本项目最终采用钢管混凝土柱，钢框架体系。一层柱为Φ900X 12，内灌C40混凝土，二层柱为Φ800X 10，内灌C40混凝土，三层柱选用Φ650X 14圆管柱；一二层楼面主梁均为H型变截面加腋梁，三层为轻型屋盖。建筑局部有夹层。

                    

图1 一层钢柱平面布置图

图2 二层平面布置图

图3 框架整体计算模型

3.荷载的工况和组合

3.1荷载条件

基本风压：0.45 kN/m2（50 年），地面粗糙度 B 类；基本雪压：0.40 kN/m2（100 年） ；

抗震设防烈度：7 度，地震加速度值：0.10g，地震分组：第一组，

建筑场地土类别：III类 ，场地特征周期：Tg=0.45s 。结构阻尼比：0.04（钢结构）

恒载：仓库楼面：4.3KN/m2,办公区夹层楼面：4.7KN/m2,

屋面恒载：0.2 KN/m2,屋面吊挂 ：0.15 KN/m2,

活载：屋面活载：0.30(刚架)/0.50(檩条)KN/m2,车间主梁、柱：20 KN/m2,楼梯间：3.5 KN/m2,

3.2荷载工况

DL：恒荷载；  LL：活荷载；    LL2：考虑不利布置的活荷载(负包络)；

LL3：考虑不利布置的活荷载(正包络)；WX：X向风荷载；WY：Y向风荷载；

EXY：X+Y地震(双向效应)；EXP：X向正偏心地震；EXM：X向负偏心地震；

EYX：Y+X地震(双向效应)；EYP：Y向正偏心地震；EYM：Y向负偏心地震；

LX：X向静震(规定水平力)；LY：Y向静震(规定水平力)；

PX：X向正偏心静震(规定水平力)；  MX：X向负偏心静震(规定水平力)；

PY：Y向正偏心静震(规定水平力)；     MY：Y向负偏心静震(规定水平力)；

U01：X向缺陷；U02：  Y向缺陷；EX：X向地震；     EY：Y向地震；

3.3荷载工况组合

编号	组合
1	1.30*DL      1.35*LL      1.00*DF
2	1.00*DL      1.35*LL      1.00*DF
3	1.30*DL      1.50*WL      1.00*DF
4	1.30*DL     -1.50*WL      1.00*DF
5	1.00*DL      1.50*WL      1.00*DF
6	1.00*DL     -1.50*WL      1.00*DF
7	1.30*DL      1.35*LL      0.90*WL      1.00*DF
8	1.30*DL      1.35*LL     -0.90*WL      1.00*DF
9	1.30*DL      1.22*LL      1.50*WL      1.00*DF
10	1.30*DL      1.22*LL     -1.50*WL      1.00*DF
11	1.00*DL      1.35*LL      0.90*WL      1.00*DF
12	1.00*DL      1.35*LL     -0.90*WL      1.00*DF
13	1.00*DL      1.22*LL      1.50*WL      1.00*DF
14	1.00*DL      1.22*LL     -1.50*WL      1.00*DF
15	1.20*DL      0.84*LL      1.30*EH      1.00*DF
16	1.20*DL      0.84*LL     -1.30*EH      1.00*DF
17	1.00*DL      0.70*LL      1.30*EH      1.00*DF
18	1.00*DL      0.70*LL     -1.30*EH      1.00*DF

4. 结构计算分析

4.1构件设计验算分析

本次取一层最不利的钢柱举例验算。

轴压比：N=-3851.8   Uc=0.18

轴向受压承载力验算： M=1387.82  N=5096.32 ≤ Nu=9424.16

《组合结构设计规范》8.2.1、8.2.3条：圆管混凝土柱的正截面受压承载力应符合以下规定：

持久、短暂设计状况 N ≤ Nu

地震设计状况  N ≤ Nu/γRE

长径比： LO /D=14.78 ≤ 20.00

《组合结构设计规范》8.1.4条：圆管混凝土框架柱与转换柱的等效计算长度与钢管外直径之比 L_e/D不宜大于20

径厚比： D/T=75.00 ≤ 91.96

《组合结构设计规范》8.1.3条:圆管混凝土框架柱与转换柱的钢管外直径与钢管壁厚之比D/t应符合下式规定：D/t ≤ 135（235/fak）

套箍指数：0.50≤ faAa / fcAc =0.89 ≤ 2.50

《组合结构设计规范》8.1.2条:圆管混凝土框架柱与转换柱套箍指标宜取0.5~2.5

拉弯验算：N < 0  N/Nut + M/Mu=0

《组合结构设计规范》8.2.8条:圆管混凝土偏心受拉框架柱和转换柱的正截面受拉承载力应符合下列公式的规定：

持久、短暂设计状况

地震设计状况

X向长细比   λX= 53.79 ≤ 80.00

X向长细比   λX= 53.79 ≤ 80.00

《高规》11.4.9-5条：圆钢管混凝土柱的长细比不宜大于80.

4.2柱脚设计

本项目柱脚采用埋入式柱脚，《组合结构设计规范》8.4.2要求柱脚在基础中的埋置深度不应小于圆形钢管直径的2.5倍，且满足8.4.4 ，本项目钢柱直接做到基础承台。钢管壁外侧每200mm间距布置ø19长度90的栓钉，围绕柱脚12等分布置；柱外包钢筋混凝土，在其埋入部分的顶面位置，应设置水平加劲肋25厚外加强环，具体做法如下图：

图4 柱脚节点大样图

4.3 梁柱拼接节点设计

在本工程中，节点采用了钢管混凝土柱外环板节点。这种节点构造比较简单，方便工厂加工，也方便现场安装，传力明确可靠，其钢管柱上下贯通，能适应工业化生产需求。

外环板厚度同连接的钢梁翼缘厚度（取两端梁较大值）；钢柱在环板上下150mm区间内壁厚局部加厚至32mm，内设四道150mm纵向加劲板。在钢梁翼缘处均设置一道环板，具体构造如图所示。

图5 钢管柱与H型钢梁刚性连接节点

图6 钢管柱与H型钢梁刚性连接节点剖面

图7 梁柱拼接节点域加强图纸

以下为按《钢结构设计标准》 验算节点域：

节点域柱腹板稳定验算:

强轴方向验算结果:

    Hb = 1580mm , Hc = 888mm , Tw = 32mm

    [(Hb+Hc)]/Tw = 77.13 <= 90

    柱腹板厚度满足要求！

弱轴方向验算结果:

    Hb = 1570mm , Hc = 888mm , Tw = 32mm

    [(Hb+Hc)]/Tw = 76.81 <= 90

    柱腹板厚度满足要求！

柱强轴方向节点域屈服承载力验算结果:

    折减系数 ψ ：0.60

    全塑性受弯承载力 Mpb1 + Mpb2 = 4643.335 kNm;

节点域体积 Vp =(π/2)hb1dctc = 70524.480 cm3

    [ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp]/[(4/3)fv] = 0.148 <= 1

    节点域屈服承载力验算满足！

  柱弱轴方向节点域屈服承载力验算结果:

    折减系数 ψ ：0.60

    全塑性受弯承载力 Mpb1+Mpb2 = 4643.335 kN*m;

节点域体积 Vp =(π/2)hb1dctc = 70078.128 cm3

    [ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp]/[(4/3)fv] = 0.149 <= 1

    节点域屈服承载力验算满足！

柱强轴方向节点域腹板受剪正则化宽厚比验算结果:

Hc/Hb = 0.57 < 10 ，受剪正则化宽厚比按12.3.3-2式验算

< 0.8

      满足规范要求!

  柱弱轴方向节点域腹板受剪正则化宽厚比验算结果:

  Hc/Hb = 0.57 < 10 ，受剪正则化宽厚比按12.3.3-2式验算

    < 0.8

      满足规范要求!

柱强轴方向节点域腹板抗剪强度验算结果:

计算抗剪最不利工况对应的弯矩和(Mb1+Mb2)：919.38 kN*m ;

对应的节点域体积Vp =(π/2)hb1dctc = 70524.480 cm3

[(Mb1+Mb2)/Vp]/fps = 0.056 <= 1

按GB50017 (12.3.3-3) 抗剪验算满足！

   柱弱轴方向节点域腹板抗剪强度验算结果:

计算抗剪最不利工况对应的弯矩和(Mb1+Mb2)：1531.29 kN*m ;

对应的节点域体积Vp =(π/2)hb1dctc =  70078.128 cm3 

[(Mb1+Mb2)/Vp]/fps  = 0.094 <= 1

按GB50017 (12.3.3-3) 抗剪验算满足！

    柱强轴方向节点域腹板抗剪强度验算结果:

计算抗剪最不利工况对应的弯矩和(Mb1+Mb2)*γRe：954.94 kN*m ;

对应的节点域体积Vp =(π/2)hb1dctc = 70524.480 cm3

[(Mb1+Mb2）/Vp]/[(4/3)fv*γRe] = 0.058 <= 1

按GB50011 (8.2.5-8) 抗剪验算满足！

柱弱轴方向节点域腹板抗剪强度验算结果:

计算抗剪最不利工况对应的弯矩和(Mb1+Mb2)*γRe：1480.03 kN*m ;

对应的节点域体积Vp =(π/2)hb1dctc = 70078.128 cm3

[(Mb1+Mb2)/Vp]/[(4/3)fv*γRe] = 0.091 <= 1

按GB50011 (8.2.5-8) 抗剪验算满足！

5. 圆钢管混凝土柱施工的要点

5.1 钢管柱的制作

钢管柱要求每个部件的尺寸、焊缝位置在图上标示准确。为保证施工质量，加快工程的推进，钢管各个部件的制作、焊接需集中在工厂完成，经管材质、焊缝、表面平整度检验合格后，才能运到工地现场安装。

5.2 钢管柱基础处理

钢管柱为埋入式柱脚，需在基础上先预埋8个M24地脚锚栓，螺栓伸入承台下700mm，超出承台顶250mm，再以钢管柱安装中心为圆心，500mm为半径的圆上均匀布置。

5.3 钢管柱的现场安装

现场吊装采用单点起吊，吊索借助自卸式卡具与钢柱连接，钢管柱采用旋转法吊升至定位点，降柱脚慢慢放至在承台上，地脚螺栓的调节螺母先固定，人工扶正就位，必要时分三向安装临时槽钢支撑固定钢柱。而后做钢管柱整体质量检测，焊接质量探伤等。安装的同时，安排2台经纬仪，在两个互相垂直的方向观测。通常为方便安装时的观测，会先行安装建筑角部区域的钢管柱。钢管柱校正无误后，进行柱脚的焊接。

5.4 钢管混凝土的浇筑

钢管混凝土的浇筑，我们采用的是高抛免振捣法浇筑法。在浇筑过程中，钢柱侧壁作为侧模板，浇筑宜连续浇筑，当必须间歇时，间歇时间不得超过混凝土的终凝时间；需留施工缝时，应将管口封闭，防止水、油和异物等落入。当留施工缝时，在浇筑混凝土前，应先浇灌一层厚度为100~200mm的与混凝土强度等级相同的水泥砂浆，以免自由下落的混凝土骨料产生弹跳。

5.5 质量要求

质量要求应遵循《高强混凝土结构技术规程》、《钢管混凝土结构设计与施工规程》的要求。钢管混凝土的检测方法通常采用超声波检测法和敲击法。如检测发现局部的混凝土不够密实，应在相应钢管柱壁上钻孔，并压浆补强，压浆补强后应将钻孔进行塞焊，补平缺口。

6. 结论

钢管混凝土柱与同样大小的混凝土柱比较，抗压承载力是其2倍以上，抗剪承载力性能也更有优势。跟同样大小钢柱相比，虽然抗压承载力略低，但避免了局部失稳的问题。而且钢管混凝土柱的塑性性能优于其他类型的柱，能防止管内混凝土免受脆性破坏。在高层建筑的设计中，可以按不限制轴压比设计。而且钢管混凝土柱的自重比钢筋混凝土柱小很多，因此地震力的影响也将减小，同时也降低了地基基础的造价，有很好的经济效益。不过，钢管混凝土柱的焊接、制作、施工要求较高，需要有更严格的施工组织管理，确保工程质量。

综上所述，钢管混凝土柱承载力高，防火、耐腐蚀性能优越，抗震性能优越，施工方便，能使工期大大缩短，在多层工业厂房、物流仓库、装配式厂房的设计中，有很好的应用前景。

作者简介：姓名：陈昊科出生年月：1984.8籍贯：浙江省诸暨市学历：大学本科职称：中级工程师专业：钢结构设计单位：上海炜邦建设发展有限公司